JP5711566B2 - Ethanol production method - Google Patents

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Description

本発明は、セルロース含有原料及び糖含有液から、効率よく、高濃度のエタノールを製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for efficiently producing high-concentration ethanol from a cellulose-containing raw material and a sugar-containing liquid.

近年、地球温暖化防止策として、植物性バイオマスからエタノールを効率よく製造し、エネルギーや化学原料として利用する試みが国内外で進められている。植物性バイオマスとしては、食糧供給と競合しないセルロース系バイオマスを用いてエタノールを製造する方法が注目されている。
セルロース系バイオマスからエタノールを製造するための方法としては、まず、セルロース系バイオマスを前処理した後に、酵素による糖化処理を行って糖を得、得られた糖をエタノール発酵してエタノールを製造する方法が一般的に用いられている(特許文献1、2参照)。
一方、糖含有液を原料として用いたエタノール生産は古くから行われており、例えば、砂糖工場におけるモラセス(廃糖蜜)を原料としたエタノール生産が挙げられる。
In recent years, attempts to efficiently produce ethanol from plant biomass and use it as energy and chemical raw materials have been promoted domestically and internationally as measures to prevent global warming. As plant biomass, a method of producing ethanol using cellulosic biomass that does not compete with food supply has attracted attention.
As a method for producing ethanol from cellulosic biomass, first, after pretreatment of cellulosic biomass, saccharification is performed by an enzyme to obtain sugar, and the obtained sugar is ethanol-fermented to produce ethanol. Is generally used (see Patent Documents 1 and 2).
On the other hand, ethanol production using a sugar-containing liquid as a raw material has been performed for a long time, and examples thereof include ethanol production using molasses (waste molasses) in a sugar factory as a raw material.

近年では、上記のようなセルロース系バイオマスからのエタノール生産技術の向上に伴い、セルロース系バイオマスと、糖含有液とからのエタノール生産を組み合わせるシステムが提案されている。例えば、非特許文献1、2には、図1に示すような糖含有液であるモラセスを用いて製造したエタノールと、セルロース系バイオマスであるバガス(サトウキビ搾汁後残渣)とを用いて製造したエタノールとを併せて蒸留するエタノール製造方法が開示されている。   In recent years, a system that combines ethanol production from a cellulosic biomass and a sugar-containing liquid has been proposed with the improvement of the ethanol production technology from the cellulosic biomass as described above. For example, Non-Patent Documents 1 and 2 were manufactured using ethanol manufactured using molasses, which is a sugar-containing liquid as shown in FIG. 1, and bagasse (residue after sugarcane juice), which is a cellulosic biomass. An ethanol production method in which ethanol is distilled together is disclosed.

特開2005−168335号公報JP 2005-168335 A 特開2009−022165号公報JP 2009-022165 A

「平成16年度調査報告 製糖工場におけるモラセス・バガスエタノール 製造モデル事業実施可能性調査」独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構編"Survey report of 2004, Molasses bagasse ethanol production model project feasibility study in sugar factory" edited by New Energy and Industrial Technology Development Organization 「Operational Report from Thai RoongRuangEnergy Co.,ltd., Ugrit Asadatorn」タイ国砂糖工業局ホームページ、http://oldweb.ocsb.go.th/uploads%5Ccontents%5C4%5Cattachfiles%5CTRE%20Presentation%204−06−09−1.pdf“Operational Report from Tai RoongRuning Energy Co., Ltd., Ugrit Asadarn” Thai Sugar Industry Department homepage, http: // oldweb. ocsb. go. th / uploads% 5Ccontents% 5C4% 5Catchachfiles% 5CTRE% 20Presentation% 204-06-09-1. pdf

上記のようなセルロース系バイオマスを原料として酵素糖化する際に、糖化槽内の不溶性固形分濃度が高すぎる場合には、糖化効率が低くなり、糖化後の糖収率が低下する。そのため、糖化処理前に希釈液を投入して糖化槽内の不溶性固形分濃度を調整することが一般に行われているが、その場合、大量の希釈液が必要になるという問題があった。
一方で、糖含有液を原料としてエタノール発酵をする際に、仕込み糖濃度が高すぎる場合、発酵処理中の発酵槽内エタノール濃度が高くなりすぎ、該高濃度のエタノールが発酵槽内の酵母によるエタノール発酵自体を阻害し、発酵後のエタノール収率が低下する。例えば、糖含有液が一般に50質量%程度の糖を有するモラセスである場合、糖濃度50質量%では発酵処理中の発酵槽内エタノール濃度が高くなりすぎる。そのため、糖含有液の種類によっては発酵処理前に希釈液を投入して発酵槽内の糖濃度を調整することが一般に行われているが、その場合、大量の希釈液が必要になるという問題があった。
When enzymatic saccharification is carried out using the above cellulose-based biomass as a raw material, if the insoluble solid content concentration in the saccharification tank is too high, the saccharification efficiency is lowered and the sugar yield after saccharification is reduced. For this reason, it is common practice to adjust the concentration of insoluble solids in the saccharification tank by introducing a diluent before the saccharification treatment. In this case, however, there is a problem that a large amount of diluent is required.
On the other hand, when ethanol fermentation is performed using a sugar-containing liquid as a raw material, if the charged sugar concentration is too high, the ethanol concentration in the fermenter during the fermentation process becomes too high, and the high concentration of ethanol depends on the yeast in the fermenter. The ethanol fermentation itself is inhibited, and the ethanol yield after fermentation is reduced. For example, when the sugar-containing liquid is molasses generally having about 50% by mass of sugar, the ethanol concentration in the fermenter during the fermentation process becomes too high at a sugar concentration of 50% by mass. Therefore, depending on the type of sugar-containing liquid, it is generally performed to adjust the sugar concentration in the fermenter by adding a diluent before fermentation treatment, but in that case, a problem that a large amount of diluent is required was there.

さらに、上記のように糖化処理前や発酵処理前に希釈液を投入する場合、得られる発酵液中のエタノール濃度が低下し、該発酵液を蒸留して高濃度エタノール液を製造する際に必要なエネルギー量が増大するという問題もある。さらに、エタノール製造から排出される排水量が多くなるという問題もある。   Furthermore, when the diluted solution is added before the saccharification treatment or the fermentation treatment as described above, the ethanol concentration in the obtained fermentation solution decreases, and is necessary when the fermentation solution is distilled to produce a high concentration ethanol solution. There is also a problem that the amount of energy increases. Further, there is a problem that the amount of waste water discharged from ethanol production increases.

また、上記非特許文献1〜2に記載されたエタノール製造方法では、モラセス由来の発酵液とバガス由来の発酵液とを混合し、蒸留工程を一度に行うが、セルロース系バイオマスからの糖化及び発酵と、糖含有液からの発酵とは、それぞれ個別の槽内で行われる。そのため、それぞれの槽に対して希釈液を添加する必要があり、大量の希釈液を必要とするという問題は解決されていない。
糖含有液の発酵は、発酵に用いる微生物のエタノール耐性濃度を越えないように希釈液を添加することにより行われるが、セルロースの糖化発酵の場合、先述のように固形物濃度を調整して糖化を効率よく行う目的のためにも希釈液を添加する。よって、セルロースの糖化発酵液中のエタノールは発酵に用いる微生物のエタノール耐性濃度よりも低く、かつ通常行われる糖含有液発酵液のエタノール濃度よりも低くなってしまう。
蒸留工程には両発酵液を混合したものを供給するが、結果としてこの混合液中のエタノール濃度は微生物の耐性濃度より大幅に低い値となるのが現状である。
Moreover, in the ethanol manufacturing method described in the said nonpatent literature 1-2, although the fermentation liquid derived from molasses and the fermentation liquid derived from bagasse are mixed and a distillation process is performed at once, saccharification and fermentation from cellulosic biomass are performed. And fermentation from a sugar containing liquid is performed in a separate tank, respectively. Therefore, it is necessary to add a diluent to each tank, and the problem of requiring a large amount of diluent has not been solved.
Fermentation of a sugar-containing liquid is performed by adding a diluent so as not to exceed the ethanol tolerance concentration of microorganisms used for fermentation. In the case of saccharification and fermentation of cellulose, saccharification is performed by adjusting the solid concentration as described above. Diluent is also added for the purpose of efficiently performing. Therefore, the ethanol in the saccharification and fermentation broth of cellulose is lower than the ethanol tolerance concentration of the microorganism used for fermentation, and lower than the ethanol concentration of the sugar-containing liquid fermentation broth that is normally performed.
In the distillation step, a mixture of both fermentation broths is supplied. As a result, the ethanol concentration in the mixed solution is significantly lower than the resistance concentration of microorganisms.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、セルロース含有原料及び糖含有液から、効率よく、高濃度のエタノールを製造することが可能なエタノール製造方法の提供を目的とする。   This invention is made | formed in view of the said situation, Comprising: It aims at provision of the ethanol manufacturing method which can manufacture high concentration ethanol efficiently from a cellulose containing raw material and a sugar containing liquid.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、セルロース含有原料を糖化して得られるセルロース含有原料由来糖液、又は、前記セルロース含有原料由来糖液をエタノール発酵して得られるセルロース含有原料由来発酵液、のいずれかを、糖含有液のエタノール発酵時に添加して用いることにより、セルロース含有原料及び糖含有液から効率よく、高濃度のエタノールを製造することができることを見出し、本発明を完成させた。   As a result of diligent research to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that a cellulose-containing raw material-derived sugar solution obtained by saccharifying a cellulose-containing raw material, or a cellulose obtained by subjecting the cellulose-containing raw material-derived sugar solution to ethanol fermentation It is found that by adding any one of the raw material-derived fermentation broths at the time of ethanol fermentation of the sugar-containing liquid, high-concentration ethanol can be efficiently produced from the cellulose-containing raw material and the sugar-containing liquid. Completed the invention.

すなわち、本発明は、
(1)糖含有液に、セルロース含有原料処理液を添加した後、それらをエタノール発酵してエタノールを得るエタノール製造方法であって、前記糖含有液は、水溶性糖類を含有する農作物の搾汁液、モラセス、及び穀類の酵素処理物からなる群より選択される1種以上であり、前記セルロース含有原料処理液は、セルロース含有原料を糖化して得られるセルロース含有原料由来糖液、又は、前記セルロース含有原料由来糖液をエタノール発酵して得られるセルロース含有原料由来発酵液、のいずれかであることを特徴とするエタノール製造方法、
(2)前記糖含有液のエタノール発酵の発酵槽における糖濃度が、25質量%以下であることを特徴とする(1)のエタノール製造方法、
(3)前記糖含有液のエタノール発酵後に得られるエタノール濃度が、12質量%以下であることを特徴とする(1)又は(2)のエタノール製造方法、
(4)前記セルロース含有原料処理液を得る際の、前記セルロース含有原料の糖化工程と前記発酵工程とが、同一の反応槽中で行われることを特徴とする(1)〜(3)いずれかのエタノール製造方法、
(5)前記セルロース含有原料が、バガス、稲わら、麦わら、籾殻、麦殻、キャッサバ残渣及びコーンストーバーからなる群より選択される1種以上であり、前記穀類の酵素処理物が、米、麦、キャッサバ及びトウモロコシからなる群より選択される1種以上を糖化して得られる澱粉糖化液であることを特徴とする(1)〜(4)いずれかのエタノール製造方法、
(6)前記セルロース含有原料がバガスであり、前記糖含有液が水溶性糖類を含有する農作物の搾汁液又はモラセスであることを特徴とする(1)〜(5)いずれかのエタノール製造方法、
を提供するものである。
That is, the present invention
(1) An ethanol production method for obtaining ethanol by adding a cellulose-containing raw material treatment liquid to a sugar-containing liquid and then ethanol-fermenting them, wherein the sugar-containing liquid is a squeezed juice of a crop containing water-soluble sugars , Molasses, and one or more selected from the group consisting of cereal enzyme-treated products, and the cellulose-containing raw material treatment liquid is a cellulose-containing raw material-derived sugar liquid obtained by saccharifying a cellulose-containing raw material, or the cellulose A method for producing ethanol, characterized in that it is any one of cellulose-containing raw material-derived fermentation liquor obtained by ethanol fermentation of a sugar-containing raw material-derived sugar solution,
(2) The method for producing ethanol according to (1), wherein the sugar concentration in the fermenter for ethanol fermentation of the sugar-containing liquid is 25% by mass or less,
(3) The ethanol production method according to (1) or (2), wherein the ethanol concentration obtained after ethanol fermentation of the sugar-containing liquid is 12% by mass or less,
(4) Any of (1) to (3) , wherein the saccharification step and the fermentation step of the cellulose-containing raw material when obtaining the cellulose-containing raw material treatment liquid are performed in the same reaction tank. Ethanol production method,
(5) The cellulose-containing material is at least one selected from the group consisting of bagasse, rice straw, straw, rice husk, wheat husk, cassava residue, and corn stover, and the cereal enzyme-treated product is rice, wheat A starch saccharified solution obtained by saccharifying one or more selected from the group consisting of cassava and corn, (1) to (4) any ethanol production method,
(6) The method for producing ethanol according to any one of (1) to (5), wherein the cellulose-containing raw material is bagasse, and the sugar-containing liquid is a squeezed juice or molasses of a crop containing a water-soluble sugar.
Is to provide.

本発明のエタノール製造方法では、糖含有液をエタノール発酵する際の希釈液の一部として、従来の水等に替えて、セルロース含有原料処理液を用いることにより、セルロース含有原料からのエタノール発酵と糖含有液のエタノール発酵を各々単独で行う場合より希釈液の使用量を低減することができるため、コスト低減及び効率向上を達成でき、且つ、発酵後に高濃度のエタノールを得ることができる。
また、本発明のエタノール製造方法によれば、得られる発酵液中のエタノールが高濃度であるため、該エタノール発酵液を蒸留する際のエネルギーを低減することができる。
In the ethanol production method of the present invention, ethanol fermentation from a cellulose-containing raw material can be performed by using a cellulose-containing raw material treatment liquid instead of conventional water or the like as a part of a dilution liquid when ethanol-fermenting a sugar-containing liquid. Since the amount of the diluent used can be reduced as compared with the case where ethanol fermentation of the sugar-containing liquid is carried out independently, cost reduction and efficiency improvement can be achieved, and high-concentration ethanol can be obtained after fermentation.
Moreover, according to the ethanol production method of the present invention, since ethanol in the obtained fermentation broth has a high concentration, the energy for distilling the ethanol fermentation broth can be reduced.

バガス及びモラセスを用いた従来のエタノール製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the conventional ethanol manufacturing method using bagasse and molasses. 発酵後エタノール目標濃度(微生物エタノール耐性上限濃度)が12%の場合の、糖含有液、セルロース含有原料由来糖液、及び希釈液量を決定するための算出方法を示す図である。It is a figure which shows the calculation method for determining the amount of sugar containing liquid, a cellulose containing raw material origin sugar liquid, and dilution liquid in case ethanol target concentration after fermentation (microbe ethanol tolerance upper limit density | concentration) is 12%. 発酵後エタノール目標濃度(微生物エタノール耐性上限濃度)が12%の場合の、糖含有液、セルロース含有原料由来糖液、及び希釈液量を決定するための制御概念を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control concept for determining the sugar containing liquid, the cellulose containing raw material origin sugar liquid, and the amount of dilution liquids in case the ethanol target concentration after fermentation (microbe ethanol tolerance upper limit density | concentration) is 12%. 発酵後エタノール目標濃度(微生物エタノール耐性上限濃度)が12%の場合の、糖含有液、セルロース含有原料由来発酵液、及び希釈液量を決定するための算出方法を示す図である。It is a figure which shows the calculation method for determining the amount of sugar containing liquid, a cellulose containing raw material-derived fermentation liquid, and a dilution liquid in case ethanol target concentration after fermentation (microbe ethanol tolerance upper limit density | concentration) is 12%. 発酵後エタノール目標濃度(微生物エタノール耐性上限濃度)が12%の場合の、糖含有液、セルロース含有原料由来発酵液、及び希釈液量を決定するための制御概念を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control concept for determining the amount of sugar containing liquid, a cellulose containing raw material-derived fermentation liquid, and dilution liquid when ethanol target density | concentration after fermentation (microbe ethanol tolerance upper limit density | concentration) is 12%. 発酵後エタノール目標濃度(微生物エタノール耐性上限濃度)が10%の場合の、バガス由来糖液、及びモラセス(糖含有液)を用いた本発明のエタノール製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the ethanol manufacturing method of this invention using the bagasse origin sugar liquid and molasses (sugar containing liquid) in case ethanol target density | concentration after fermentation (microbial ethanol tolerance upper limit density | concentration) is 10%. 発酵後エタノール目標濃度(微生物エタノール耐性上限濃度)が10%の場合の、バガス由来発酵液、及びモラセス(糖含有液)を用いた本発明のエタノール製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the ethanol manufacturing method of this invention using the bagasse origin fermentation liquid and molasses (sugar containing liquid) in case ethanol target concentration after fermentation (microbe ethanol tolerance upper limit density | concentration) is 10%.

本発明のエタノール製造方法は、糖含有液に、セルロース含有原料処理液を添加した後、それらをエタノール発酵してエタノールを得るエタノール製造方法である。   The ethanol production method of the present invention is an ethanol production method in which a cellulose-containing raw material treatment solution is added to a sugar-containing solution and then ethanol-fermented to obtain ethanol.

(糖含有液)
本発明において、糖含有液は、グルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトース、ソルボース、アロース、タロース、グロース、アルトロース、イドース、キシロース、アラビノース、リボース、リキソースなどの単糖、または、これら単糖を最小単位とするスクロース、トレハロース、ラクトース、マルトース、セロビオース、ラフィノース、セロトリオースなどの多糖類等の水溶性糖類を含有する農作物の搾汁液、モラセス、及び穀類の酵素処理物からなる群より選択される1種以上である。
水溶性糖類を含有する農作物としては、例えば、ケーンジュース、ビートジュース、ソルガムジュース等が挙げられる。
穀類としては、米、麦、キャッサバ、とうもろこし、キビ、アワ、ヒエ等が挙げられる。
穀類を酵素処理する方法は、特に限定されるものではなく、例えば、アミラーゼ等の酵素と穀類とを接触させることにより行うことができる。本発明においては、澱粉含有量が高く、且つ生産量が多いことから、米、麦、キャッサバ及びトウモロコシからなる群より選択される1種以上を糖化して得られる澱粉糖化液であることが好ましい。
水溶性糖類を含有する農作物の搾汁液、モラセス、又は穀物の酵素処理物は、そのまま用いてもよく、脱塩処理や、殺菌処理をした後に用いてもよい。ここで脱塩処理、殺菌処理の方法は特に限定されるものではなく、公知の方法により行うことができる。
(Sugar-containing liquid)
In the present invention, the sugar-containing liquid is a monosaccharide such as glucose, galactose, mannose, fructose, sorbose, allose, talose, gulose, altrose, idose, xylose, arabinose, ribose, lyxose, or the minimum unit of these monosaccharides. One or more selected from the group consisting of sucrose, trehalose, lactose, maltose, cellobiose, raffinose, cellulosic juices such as cellophylose, cellulosic juice, molasses, and cereal enzyme-treated products It is.
Examples of crops containing water-soluble saccharides include cane juice, beet juice, sorghum juice and the like.
Examples of cereals include rice, wheat, cassava, corn, millet, millet, and millet.
The method for enzyme-treating cereals is not particularly limited, and can be performed, for example, by bringing an enzyme such as amylase into contact with cereals. In the present invention, since the starch content is high and the production amount is large, a starch saccharified solution obtained by saccharifying one or more selected from the group consisting of rice, wheat, cassava and corn is preferable. .
The squeezed juice, molasses, or cereal enzyme-treated product containing water-soluble saccharides may be used as it is, or after desalting or sterilization. Here, the method of desalting treatment and sterilization treatment is not particularly limited, and can be performed by a known method.

本発明において、糖含有液は、糖を5質量%以上含有する液体であることが好ましく、糖を10質量%以上含有する液体であることがより好ましく、糖を15質量%以上含有する液体であることがさらに好ましく、糖を20質量%以上含有する液体であることが特に好ましい。   In the present invention, the sugar-containing liquid is preferably a liquid containing 5% by mass or more of sugar, more preferably a liquid containing 10% by mass or more of sugar, and a liquid containing 15% by mass or more of sugar. More preferably, it is particularly preferably a liquid containing 20% by mass or more of sugar.

(セルロース含有原料処理液)
本発明において、セルロース含有原料処理液は、セルロース含有原料を糖化して得られるセルロース含有原料由来糖液、又は、前記セルロース含有原料由来糖液をエタノール発酵して得られるセルロース含有原料由来発酵液、のいずれかである。
セルロース含有原料としては、セルロースを含有するものであれば特に限定されるものではなく、草本系バイオマスであってもよく、木質系バイオマスであってもよく、その他のセルロースを含有するバイオマスであってもよい。セルロース含有原料としては、稲、麦、トウモロコシ、サトウキビ、テンサイ、麻、綿花、ソルガム、エリアンサス、キャッサバ等の栽培作物等であってもよいが、廃棄の対象とされ得るものであって、セルロース含有量が比較的多いものであることが好ましい。具体的には、稲わら、麦わら、籾殻、麦殻、コーンストーバー、バガス、ヤシガラ、キャッサバ残渣(デンプン回収後のキャッサバの残渣)等の農業残渣、竹、木材チップ、間伐材等の林業残渣、古紙、古着等が挙げられる。中でも、草本系バイオマス等のソフトセルロース系バイオマスであることが好ましく、安価で大量に入手可能であることから、バガス、稲わら、麦わら、籾殻、麦殻、キャッサバ残渣、コーンストーバー等の穀物残渣であることがより好ましい。本発明においては、これらのセルロース含有原料のうち、1種類のみを用いてもよく、2種類以上を用いてもよい。
(Cellulose-containing raw material treatment solution)
In the present invention, the cellulose-containing raw material treatment liquid is a cellulose-containing raw material-derived sugar liquid obtained by saccharifying a cellulose-containing raw material, or a cellulose-containing raw material-derived fermentation liquid obtained by ethanol fermentation of the cellulose-containing raw material-derived sugar liquid, One of them.
The cellulose-containing raw material is not particularly limited as long as it contains cellulose. It may be herbaceous biomass, woody biomass, or other biomass containing cellulose. Also good. The cellulose-containing raw material may be cultivated crops such as rice, wheat, corn, sugar cane, sugar beet, hemp, cotton, sorghum, Elianthus, cassava, etc. It is preferable that the content is relatively large. Specifically, agricultural residue such as rice straw, straw, rice husk, wheat husk, corn stover, bagasse, coconut shell, cassava residue (residue of cassava after starch recovery), forestry residue such as bamboo, wood chips, thinned wood, Examples include used paper and used clothes. Among them, soft cellulose-based biomass such as herbaceous biomass is preferable, and since it is inexpensive and available in large quantities, it can be used for grain residues such as bagasse, rice straw, straw, rice husk, wheat husk, cassava residue, and corn stover. More preferably. In the present invention, among these cellulose-containing raw materials, only one type may be used, or two or more types may be used.

本発明におけるセルロース含有原料としては、特に、用いられる糖含有液と同一の産業分野で得られる原料であることが好ましく、上記糖含有液と同一の食物工場等から得られるものであることがさらに好ましい。セルロース含有原料と糖含有液とを、同じ工場や農地等から調達可能である場合には、本発明のエタノール製造方法を、当該工場等の近隣に建設されたプラントにおいて実施することにより、セルロース含有原料や糖含有液を運搬するコストを削減することができる。   The cellulose-containing raw material in the present invention is particularly preferably a raw material obtained in the same industrial field as the sugar-containing liquid to be used, and more preferably obtained from the same food factory or the like as the sugar-containing liquid. preferable. When the cellulose-containing raw material and the sugar-containing liquid can be procured from the same factory, farmland, etc., the ethanol production method of the present invention is carried out in a plant constructed in the vicinity of the factory, etc. Costs for transporting raw materials and sugar-containing liquids can be reduced.

具体的には、製糖工場において得られる、バガスをセルロース含有原料とし、モラセスを糖含有液とする場合;稲又は米加工工場分野において得られる、稲わら又は籾殻をセルロース含有原料とし、何らかの理由で廃棄される米の酵素処理物を糖含有液とする場合;麦加工工場において得られる、麦わら又は麦殻をセルロース含有原料とし、何らかの理由で廃棄される麦の酵素処理物を糖含有液とする場合;キャッサバ澱粉工場で得られる澱粉製造残渣(キャッサバ残渣)をセルロース原料含量とし、何らかの理由で廃棄されるキャッサバの酵素処理物を糖含有液とする場合;トウモロコシ加工工場において得られる、コーンストーバーをセルロース含有原料とし、何らかの理由で廃棄されるトウモロコシの酵素処理物を糖含有液とする場合;製糖工場において得られる、バガスをセルロース含有原料とし、何らかの理由で廃棄されるサトウキビを搾った搾汁液(ケーンジュース)を糖含有液とする場合;製糖工場において得られる、甜菜残渣をセルロース含有原料とし、何らかの理由で廃棄される甜菜(砂糖大根)を搾った搾汁液(ビートジュース)を糖含有液とする場合;製糖工場において得られる、ソルガム残渣をセルロース含有原料とし、何らかの理由で廃棄されるソルガムを搾った搾汁液(ソルガムジュース)を糖含有液とする場合、が好ましいものとして挙げられる。
なかでも、バガスと、農作物の搾汁液又はモラセスとを用いた場合、穀類を酵素処理する工程が不要であるため、特に好ましい。
Specifically, when bagasse obtained from a sugar factory is a cellulose-containing raw material and molasses is a sugar-containing liquid; rice straw or rice husk obtained in the field of rice or rice processing factory is a cellulose-containing raw material, for some reason When the enzyme-treated product of rice to be discarded is used as a sugar-containing solution; straw or wheat husk obtained at a wheat processing plant is used as a cellulose-containing raw material, and the enzyme-treated product of wheat that is discarded for some reason is used as a sugar-containing solution When the starch production residue (cassava residue) obtained at the cassava starch factory is the cellulose raw material content, and when the cassava enzyme-treated product discarded for some reason is used as the sugar-containing liquid; the corn stover obtained at the corn processing factory When using corn enzyme-treated product as a sugar-containing liquid for cellulose-containing raw materials When sugarcane is used as the raw material containing cellulose, and sugar cane juice obtained by squeezing sugarcane that is discarded for some reason is used as the sugar-containing liquid; sugar beet residue obtained at the sugar factory is used as the raw material containing cellulose , When squeezed sugar beet (sugar radish) that is discarded for some reason is used as a sugar-containing solution; sorghum that is obtained at a sugar factory using sorghum residue as a cellulose-containing raw material and is discarded for any reason When the squeezed juice (sorghum juice) squeezed is used as a sugar-containing solution, is preferable.
Especially, when bagasse and the squeezed juice or molasses of a crop are used, since the process of carrying out the enzyme treatment of cereal is unnecessary, it is especially preferable.

また、本発明において、セルロース含有原料は、前処理工程により前処理されたものであることが好ましい。
セルロース含有原料を前処理する方法は、セルロース含有原料に対して施すことにより後段の糖化工程における糖化効率を改善し得るものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、細断処理、及び水熱処理からなる処理方法から選択される1種又は2種以上を組み合わせて用いることが好ましい。
Moreover, in this invention, it is preferable that a cellulose containing raw material is pre-processed by the pre-processing process.
The method for pretreating the cellulose-containing raw material is not particularly limited as long as it can improve the saccharification efficiency in the subsequent saccharification step by applying to the cellulose-containing raw material, for example, shredding treatment, In addition, it is preferable to use one or a combination of two or more selected from a treatment method comprising hydrothermal treatment.

細断処理の方法は特に限定されるものではなく、公知の装置等を用いて行うことができるが、例えば、1〜20mmのサイズ、より好ましくは1〜5mmのサイズに細断することができる。   The shredding method is not particularly limited, and can be performed using a known apparatus or the like. For example, the shredding process can be performed to a size of 1 to 20 mm, more preferably 1 to 5 mm. .

水熱処理の方法は特に限定されるものではなく、公知の装置等を用いて行うことができる。
水熱処理の条件は特に限定されるものではないが好ましくは160〜250℃の飽和水蒸気下、より好ましくは170〜220℃の飽和水蒸気下で、圧力として具体的には0.7〜2.3MPaGで水熱処理を行うことが好ましい。また、水熱処理は、好ましくは3〜120分、より好ましくは5〜30分で行うことが好ましい。上記のような好ましい条件において水熱処理を行うことにより、セルロース含有原料の過分解を低減することができる。
The method of hydrothermal treatment is not particularly limited, and can be performed using a known apparatus or the like.
The conditions for the hydrothermal treatment are not particularly limited, but are preferably 160 to 250 ° C. saturated steam, more preferably 170 to 220 ° C. saturated steam, and the pressure is specifically 0.7 to 2.3 MPaG. It is preferable to perform hydrothermal treatment. The hydrothermal treatment is preferably performed for 3 to 120 minutes, more preferably 5 to 30 minutes. By performing the hydrothermal treatment under the preferable conditions as described above, the excessive decomposition of the cellulose-containing raw material can be reduced.

また、上記細断処理、水熱処理に代えて、又は、これらと組み合わせて、粗粉砕処理、微粉砕処理、アルカリ処理、微生物処理、硫酸処理、熱軟化処理、ソルボリシス処理等の公知の前処理を行うこともできる。   Further, instead of or in combination with the above shredding treatment, hydrothermal treatment, known pretreatments such as coarse pulverization treatment, fine pulverization treatment, alkali treatment, microbial treatment, sulfuric acid treatment, thermal softening treatment, solvolysis treatment, etc. It can also be done.

さらに、上記処理に替えて、または上記処理と併せて、解繊処理を行うことも好ましい。解繊処理の方法は特に限定されるものではなく、例えば、通常製紙産業において用いられるパルプ離解機、具体的には、低濃度(固形分濃度6質量%未満)パルパー、中濃度(固形分濃度6〜10質量%)パルパー、高濃度(固形分濃度10〜30質量%)パルパー等を用いて行うことができる。解繊処理は、前記水熱処理の後に併せて行うことがより好ましい。   Furthermore, it is also preferable to perform a defibrating process instead of the above process or in combination with the above process. The method of the defibrating treatment is not particularly limited. For example, a pulp disintegrator usually used in the paper industry, specifically, a low concentration (solid content concentration of less than 6% by mass) pulper, a medium concentration (solid content concentration). 6-10 mass%) pulper, high concentration (solid content concentration 10-30 mass%) pulper, etc. can be used. More preferably, the defibrating treatment is performed after the hydrothermal treatment.

また、上記のように処理されたセルロース含有原料は、必要に応じて、遠心脱水式、ベルト濃縮式等の公知の濃縮機を用いて、液体成分の割合を調整してもよい。   In addition, the cellulose-containing raw material treated as described above may be adjusted in the proportion of the liquid component using a known concentrator such as a centrifugal dehydration type or a belt concentration type, if necessary.

・セルロース含有原料由来糖液
本発明におけるセルロース含有原料由来糖液は、セルロース含有原料、又は、上記のような前処理を行った前処理済セルロース含有原料(以下、「前処理物」ということがある。)を糖化して得られるものである。
糖化を行う方法は特に限定されるものではなく、公知慣用の方法により行うことができる。例えば、上記のようにして得られたセルロース含有原料又は前処理物に、セルラーゼ等の糖化酵素を添加して酵素処理を行うことにより、セルロースやヘミセルロースを糖化した糖液を得ることができる。糖化酵素については公知慣用のものでよく、トリコデルマ・リーゼイ(Trichoderma reesei)由来のものであっても、アクレモニウム・セルロリティカス(Acremonium cellulolyticus)由来のものであっても構わない。
糖化に用いるセルロース含有原料の不溶性固形分濃度が高すぎる場合、上述のように糖化効率が低くなるため、不溶性固形分濃度は25質量%以下であることが好ましい。セルロース含有原料の不溶性固形分濃度を上記範囲内とする方法としては、特に限定されるものではないが、例えばセルロース含有原料又は前処理物に、必要に応じて希釈液を添加することができる。ここで希釈液としては、水が好ましい。
-Cellulose-containing raw material-derived sugar liquid The cellulose-containing raw material-derived sugar liquid in the present invention is a cellulose-containing raw material or a pretreated cellulose-containing raw material (hereinafter referred to as "pretreated product") that has been pretreated as described above. Is obtained by saccharification.
The method for performing saccharification is not particularly limited, and can be performed by a known and commonly used method. For example, a saccharide solution obtained by saccharifying cellulose or hemicellulose can be obtained by adding a saccharifying enzyme such as cellulase to the cellulose-containing raw material or pre-treated product obtained as described above. The saccharifying enzyme may be a known and commonly used one, and may be derived from Trichoderma reesei or from Acremonium cellulolyticus.
When the insoluble solid content concentration of the cellulose-containing raw material used for saccharification is too high, the saccharification efficiency is lowered as described above, and therefore the insoluble solid content concentration is preferably 25% by mass or less. The method for setting the insoluble solid content concentration of the cellulose-containing raw material within the above range is not particularly limited, but for example, a diluent can be added to the cellulose-containing raw material or the pretreated product as necessary. Here, water is preferable as the diluent.

また、セルロース含有原料又は前処理物の糖化は、全量の糖化を一度に行ってもよく、一部量のみの糖化を行った後に、残りのセルロース含有原料又は前処理物の糖化を行う等の方法により、二段階以上に分けて糖化を行ってもよい。糖化初期段階のセルロース含有原料又は前処理物は固形分濃度が高いため、糖化初期段階においてのみ、糖化槽内の攪拌所要動力が高くなる。そこで、糖化初期段階の数時間、例えば1〜5時間のみ、高い攪拌動力を有する槽内にて一部量の糖化を行った後に、別の槽内にて残りのセルロース含有原料又は前処理物の糖化を行うことが好ましい。このように二段階以上に分けて糖化を行うことにより、効率的に糖化を行うことができる。
また、糖化初期にセルロース含有原料全量を添加せず、糖化の進行に従い原料を徐々に添加する流加法を用いることも可能である。この方法によると初期の槽内の固形物濃度は低く、かつ糖化の進行に従い固形物濃度が低下してから新たな固形物が添加されるため、常に槽内の固形物濃度を低く保てるメリットがある。
In addition, the saccharification of the cellulose-containing raw material or pretreated product may be performed by saccharifying the entire amount at once, or after saccharifying only a part of the amount, the remaining cellulose-containing raw material or pretreated product may be saccharified. Depending on the method, saccharification may be performed in two or more stages. Since the cellulose-containing raw material or pretreatment product in the initial stage of saccharification has a high solid content concentration, the power required for stirring in the saccharification tank is increased only in the initial stage of saccharification. Therefore, after the saccharification of a certain amount in a tank having a high stirring power for only several hours, for example, 1 to 5 hours, in the initial stage of saccharification, the remaining cellulose-containing raw material or pre-treated product in another tank It is preferable to carry out saccharification. Thus, saccharification can be performed efficiently by performing saccharification in two or more stages.
It is also possible to use a fed-batch method in which the raw material is gradually added as the saccharification progresses without adding the total amount of the cellulose-containing raw material in the early stage of saccharification. According to this method, the initial concentration of solids in the tank is low, and as the solids concentration decreases as saccharification progresses, new solids are added, so there is an advantage that the solids concentration in the tank can always be kept low. is there.

・セルロース含有原料由来発酵液
本発明におけるセルロース含有原料由来発酵液は、前記セルロース含有原料由来糖液をエタノール発酵して得られるものである。
-Cellulose-containing raw material-derived fermentation liquid The cellulose-containing raw material-derived fermentation liquid in the present invention is obtained by ethanol fermentation of the cellulose-containing raw material-derived sugar liquid.

セルロース含有原料由来糖液をエタノール発酵する方法は、特に限定されるものではなく、糖液のエタノール発酵に通常用いられる方法により行うことができる。例えば、エタノール発酵槽中のセルロース含有原料由来糖液に、エタノール発酵能を有する公知の微生物を添加することにより、セルロース含有原料由来発酵液が得られる。
エタノール発酵能を有する微生物としては、例えば、サッカロミセス(Saccharomyces)属の酵母、具体的には、サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)等が挙げられる。
セルロース含有原料由来糖液をエタノール発酵する際に、エタノール発酵槽中の糖濃度が高すぎる場合、前述したように発酵処理中の発酵槽内エタノール濃度が高くなりすぎ、該エタノールが発酵槽内の酵母によるエタノール発酵を阻害し、単位糖量あたりのエタノール収量が低下してしまう。そのため、エタノール発酵槽中の糖濃度は、25質量%以下であることが好ましく、22質量%以下であることがより好ましく、20質量%以下であることが最も好ましい。
エタノール発酵槽中の糖濃度を上記範囲とする方法は特に限定されるものではなく、希釈液を添加する等の方法により行うことができる。希釈液としては、水が好ましい。
なお、本発明におけるセルロース含有原料由来発酵液には、未発酵の糖が微量含有されていてもよい。
The method for subjecting the cellulose-containing raw material-derived sugar solution to ethanol fermentation is not particularly limited, and can be performed by a method usually used for ethanol fermentation of the sugar solution. For example, a cellulose-containing raw material-derived fermentation liquid can be obtained by adding a known microorganism having ethanol fermentation ability to a cellulose-containing raw material-derived sugar liquid in an ethanol fermentation tank.
Examples of the microorganism having ethanol fermentation ability include yeasts of the genus Saccharomyces, specifically, Saccharomyces cerevisiae.
When the sugar solution in the ethanol fermenter is too high when ethanol-fermenting the cellulose-containing raw material-derived sugar solution, the ethanol concentration in the fermenter during the fermentation process becomes too high as described above, and the ethanol in the fermenter The ethanol fermentation by yeast is inhibited, and the ethanol yield per unit sugar amount is reduced. Therefore, the sugar concentration in the ethanol fermenter is preferably 25% by mass or less, more preferably 22% by mass or less, and most preferably 20% by mass or less.
The method of setting the sugar concentration in the ethanol fermenter within the above range is not particularly limited, and can be carried out by a method such as adding a diluent. As the diluent, water is preferred.
The cellulose-containing raw material-derived fermentation liquid in the present invention may contain a small amount of unfermented sugar.

近年、製造プロセスを単純化し効率を向上させる観点から、糖化と発酵とを同時に行う方法も用いられている。上記セルロース含有原料の糖化処理とエタノール発酵処理とは、別個の槽内で独立に行ってもよく、同一の槽内で、同時に行ってもよい。   In recent years, a method of simultaneously performing saccharification and fermentation has been used from the viewpoint of simplifying the production process and improving efficiency. The saccharification treatment of the cellulose-containing raw material and the ethanol fermentation treatment may be performed independently in separate tanks, or may be performed simultaneously in the same tank.

(糖含有液のエタノール発酵)
エタノール発酵前に、糖含有液に添加するセルロース含有原料処理液の量は、特に限定されるものではないが、発酵液中のエタノール濃度が、12質量%以下となるように添加量を決定することが好ましく、エタノール濃度が10質量%以下となるように添加量を決定することがより好ましい。また、セルロース含有原料処理液のみを添加した場合に、上記エタノール濃度が満たされない場合には、さらに希釈液を添加することができる。
(Ethanol fermentation of sugar-containing liquid)
The amount of the cellulose-containing raw material treatment liquid added to the sugar-containing liquid before ethanol fermentation is not particularly limited, but the addition amount is determined so that the ethanol concentration in the fermentation liquid is 12% by mass or less. It is preferable to determine the addition amount so that the ethanol concentration is 10% by mass or less. In addition, when only the cellulose-containing raw material treatment liquid is added, a dilution liquid can be further added if the ethanol concentration is not satisfied.

具体的には、発酵液中のエタノール濃度が12質量%以下となる糖含有液とセルロース含有原料由来糖液との量は、例えば、図2に示す算出方法、並びに、図3のフローチャートで示す制御概念により決定することができる。また、発酵液中のエタノール濃度が12質量%以下となる糖含有液とセルロース含有原料由来発酵液との量は、例えば、図4に示す算出方法、並びに、図5のフローチャートで示す制御概念により決定することができる。
図2〜5中、Aはセルロース原料由来処理液(図2〜3は糖液、図4〜5は発酵液)を、xaはセルロース原料処理液中の糖濃度を、yaはセルロース原料処理液中のエタノール濃度を、Dは発酵槽内の全量を、xbは糖含有液中の糖濃度を、Cは添加すべき希釈液量を示す。なお、図2〜5中、糖からエタノールへの変換係数(割合)は、51質量%とした。
Specifically, the amounts of the sugar-containing liquid and the cellulose-containing raw material-derived sugar liquid in which the ethanol concentration in the fermentation liquid is 12% by mass or less are shown by, for example, the calculation method shown in FIG. 2 and the flowchart of FIG. It can be determined by the control concept. Moreover, the amount of the sugar-containing liquid and the cellulose-containing raw material-derived fermentation liquid in which the ethanol concentration in the fermentation liquid is 12% by mass or less depends on, for example, the calculation method shown in FIG. 4 and the control concept shown in the flowchart of FIG. Can be determined.
2-5, A is a cellulose raw material processing solution (FIGS. 2-3 is a sugar solution, FIGS. 4-5 are fermentation solutions), xa is the sugar concentration in a cellulose raw material processing solution, ya is a cellulose raw material processing solution. The ethanol concentration in the medium, D the total amount in the fermenter, xb the sugar concentration in the sugar-containing liquid, and C the amount of dilution to be added. In addition, in FIGS. 2-5, the conversion coefficient (ratio) from saccharide | sugar to ethanol was 51 mass%.

本発明において、糖含有液と、セルロース含有原料処理液とをエタノール発酵する方法は特に限定されるものではなく、糖液のエタノール発酵に通常用いられる方法により行うことができる。例えば、糖液に、エタノール発酵能を有する公知の微生物を添加し、糖液をエタノール発酵することにより、エタノールを含む発酵液が得られる。エタノール発酵能を有する微生物としては、上記同様のものが挙げられる。なお、糖含有液にセルロース含有原料由来発酵液を添加して希釈する場合、含有するエタノールによって、糖含有液発酵工程において雑菌繁殖を抑制する効果がある。   In the present invention, the method for ethanol fermentation of the sugar-containing liquid and the cellulose-containing raw material treatment liquid is not particularly limited, and can be performed by a method usually used for ethanol fermentation of the sugar liquid. For example, a fermentation liquid containing ethanol can be obtained by adding a known microorganism having ethanol fermentation ability to a sugar solution and subjecting the sugar solution to ethanol fermentation. Examples of the microorganism having ethanol fermentation ability include the same microorganisms as described above. In addition, when adding and diluting a cellulose containing raw material origin fermentation liquid to a sugar containing liquid, there exists an effect which suppresses miscellaneous bacteria propagation in a sugar containing liquid fermentation process by ethanol to contain.

上記エタノール発酵により得られたエタノールを含む発酵液は、通常、蒸留、精製等の工程を経て、実用に供されるが、本発明のエタノール製造方法によって得られた発酵液はエタノール濃度が高いため、蒸留の工程におけるエネルギーを低減することが可能となり、より効率よく純度の高いエタノールを得ることができる。   The fermentation broth containing ethanol obtained by the above ethanol fermentation is usually put to practical use through steps such as distillation and purification, but the fermentation broth obtained by the ethanol production method of the present invention has a high ethanol concentration. The energy in the distillation process can be reduced, and ethanol with high purity can be obtained more efficiently.

図6〜7に、本発明のエタノール製造方法の具体例を示す。図6は、セルロース含有原料処理液として、セルロース含有原料由来糖液を用いた具体例であり、図7は、セルロース含有原料処理液として、セルロース含有原料由来発酵液を用いた具体例である。なお、図6〜7において用いられているモラセス及びバガスの量は、図1の従来のエタノール製造方法と同じであり、図1、図6及び図7における発酵後エタノール目標濃度(微生物エタノール耐性上限濃度)はいずれも10%である。
図6〜7と図1とを比較すると、従来法(図1)では、用いる希釈液の量が合計で195万トン/年であるのに対し、本発明(図6〜7)では110万トン/年である。
また、従来法では、得られた発酵液中のエタノール濃度が7.3質量%であるのに対し、本発明では10質量%と向上している。そのため、本発明では製品エタノール(約100%純度のエタノール)を得る際の蒸留に必要なエネルギーを低減することができる。
このように、本発明のエタノール製造方法によれば、添加する希釈液量を低減し、且つ、得られる発酵液中のエタノール濃度を高めることができる。
6 to 7 show specific examples of the ethanol production method of the present invention. FIG. 6 is a specific example using a cellulose-containing raw material-derived sugar liquid as the cellulose-containing raw material treatment liquid, and FIG. 7 is a specific example using a cellulose-containing raw material-derived fermentation liquid as the cellulose-containing raw material treatment liquid. The amounts of molasses and bagasse used in FIGS. 6 to 7 are the same as those in the conventional ethanol production method of FIG. 1, and the post-fermentation ethanol target concentration in FIG. 1, FIG. 6 and FIG. (Concentration) is 10% in all cases.
Comparing FIGS. 6 to 7 with FIG. 1, in the conventional method (FIG. 1), the total amount of diluent used is 1.95 million tons / year, whereas in the present invention (FIGS. 6 to 7), 1.1 million. Ton / year.
In the conventional method, the ethanol concentration in the obtained fermentation broth is 7.3% by mass, whereas in the present invention, the ethanol concentration is improved to 10% by mass. Therefore, in this invention, the energy required for distillation when obtaining product ethanol (ethanol of about 100% purity) can be reduced.
Thus, according to the ethanol production method of the present invention, the amount of the diluted solution to be added can be reduced, and the ethanol concentration in the obtained fermentation broth can be increased.

なお、本発明のエタノール製造方法では、図6〜7中に示すような、「糖濃度測定手段」、「エタノール濃度、糖濃度測定手段」を用いて、それぞれ、セルロース含有原料由来糖液又は糖含有液中の糖濃度の測定、セルロース含有原料由来発酵液中の糖及びエタノール濃度の測定を行い、得られた測定値等を用いて、図2〜5に示す制御概念や式により、用いる糖含有液処理液の量や希釈液の量を決定することが好ましい。
また、図7において、セルロース含有原料由来発酵液中のエタノール濃度を「エタノール濃度、糖濃度測定手段」により測定し、糖含有液に添加するセルロース含有原料由来発酵液量を決定するが、セルロース含有原料由来発酵液中のエタノール濃度が高い等の理由により、製造ラインにおいてセルロース含有原料由来発酵液が余剰となった場合には、該発酵液を糖含有液に添加せず、直接蒸留することも可能である。
In addition, in the ethanol production method of the present invention, using a “sugar concentration measuring means” and an “ethanol concentration, sugar concentration measuring means” as shown in FIGS. Measurement of sugar concentration in the liquid containing, measurement of sugar and ethanol concentration in the fermented liquid derived from the cellulose-containing raw material, and using the measured values and the like, the sugar used according to the control concept and formulas shown in FIGS. It is preferable to determine the amount of the liquid processing solution and the amount of the diluent.
Further, in FIG. 7, the ethanol concentration in the cellulose-containing raw material-derived fermentation liquid is measured by “ethanol concentration, sugar concentration measuring means”, and the amount of the cellulose-containing raw material-derived fermentation liquid added to the sugar-containing liquid is determined. If the cellulose-containing raw material-derived fermentation liquid becomes surplus in the production line due to a high ethanol concentration in the raw material-derived fermentation liquid, the fermentation liquid may be directly distilled without being added to the sugar-containing liquid. Is possible.

次に実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example is shown and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not limited to a following example.

≪実施例1〜2、比較例1〜2≫
セルロース含有原料としてバガスを、糖含有液としてモラセスを用いてエタノールを製造した場合の、発酵後の発酵液中のエタノール濃度について検討した。
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The ethanol concentration in the fermentation broth after fermentation when ethanol was produced using bagasse as the cellulose-containing raw material and molasses as the sugar-containing liquid was examined.

[実験例1・酵母培養液の調整]
酵母エキス10g/L、ペプトン20g/L、グルコース20g/Lからなる培地を定法により滅菌後、本菌株を接種し、35℃で1日間好気的に培養した。培養液はそのままモラセス発酵およびバガス発酵に使用した。
[Experimental Example 1 Preparation of Yeast Culture Solution]
A medium consisting of 10 g / L of yeast extract, 20 g / L of peptone, and 20 g / L of glucose was sterilized by a conventional method, then inoculated with the present strain, and aerobically cultured at 35 ° C. for 1 day. The culture solution was used as it was for molasses fermentation and bagasse fermentation.

[実験例2・酵素液の調整]
結晶性セルロース50g/L、コーンステイープリカー10g/L、硫酸アンモニウム5g/L、尿素3g/L、硫酸マグネシウム1.2g/L、リン酸2水素カリウム12g/L、硫酸亜鉛10mg/L、硫酸マンガン10mg/L、硫酸銅10mg/Lからなる培地(pH4.0)を定法により滅菌後、本菌株を接種し、30℃で7日間好気的に培養した。得られた培養液をそのままバガス糖化に使用した。
[Experimental Example 2 Preparation of Enzyme Solution]
Crystalline cellulose 50 g / L, cornstay precursor 10 g / L, ammonium sulfate 5 g / L, urea 3 g / L, magnesium sulfate 1.2 g / L, potassium dihydrogen phosphate 12 g / L, zinc sulfate 10 mg / L, manganese sulfate A medium (pH 4.0) composed of 10 mg / L and copper sulfate 10 mg / L was sterilized by a conventional method, then inoculated with the present strain, and cultured aerobically at 30 ° C. for 7 days. The obtained culture broth was used as it was for bagasse saccharification.

[実施例1]
(バガス糖化)
酵素糖化前処理として、セルロース含有原料であるバガスの水熱処理を行った。水熱処理には、バイオマス投入口、反応物排出口、水蒸気供給口を有する小型圧力容器(スチームガン)を用いた。バガス100g(水分20質量%)をスチームガンに投入して密閉し、水蒸気を供給して220℃まで加熱した。この状態を10分保持した後、排出口を開放し、バガスを取り出した。排出物の総量は140gであり、水分は60質量%であった。これをそのまま酵素糖化または同時糖化発酵に使用した。
水熱処理をしたバガス25g(湿ベース、水分60質量%)を滅菌した250mLの三角フラスコに入れ、酵素液6.7g、滅菌水18.3gを添加し、水熱バガス20質量%スラリーを調整した(全量50g)。この三角フラスコを35℃恒温培養器に設置された振とう培養器((株)日伸理化製NX−25D;以下、振とう機は全て同型を使用)にて50rpmで96時間振とうし、糖化を行った。糖化後の全量は50gであった。
[Example 1]
(Bagasse saccharification)
As the enzymatic saccharification pretreatment, hydrothermal treatment of bagasse, which is a cellulose-containing raw material, was performed. For the hydrothermal treatment, a small pressure vessel (steam gun) having a biomass input port, a reactant discharge port, and a water vapor supply port was used. Bagasse 100g (water content 20% by mass) was put into a steam gun and sealed, and steam was supplied to heat to 220 ° C. After maintaining this state for 10 minutes, the outlet was opened and the bagasse was taken out. The total amount of discharge was 140 g, and the water content was 60% by mass. This was directly used for enzymatic saccharification or simultaneous saccharification and fermentation.
Hydrothermally treated bagasse 25 g (wet base, moisture 60 mass%) was placed in a sterilized 250 mL Erlenmeyer flask, 6.7 g of enzyme solution and 18.3 g of sterilized water were added, and a hydrothermal bagasse 20 mass% slurry was prepared. (Total amount 50 g). The Erlenmeyer flask was shaken at 50 rpm for 96 hours in a shaking incubator (NX-25D manufactured by Nisshinri Kagaku Co., Ltd .; all of the shaking machines were the same type) installed in a 35 ° C. constant temperature incubator. Saccharification was performed. The total amount after saccharification was 50 g.

(モラセス発酵)
モラセス(糖濃度50質量%)18gを滅菌した三角フラスコに入れ、実験例1の酵母培養液4.4g、上記バガス糖化液50g、及び硫酸アンモニウム0.5gを含む滅菌水16.4gを添加して全量を88.8gとした。この三角フラスコを35℃恒温培養器に設置された振とう培養器にて50rpmで48時間振とうし、発酵を行った。発酵後の全量は80.7gであり、そのエタノール濃度は10質量%であった。
(Molasses fermentation)
18 g of molasses (sugar concentration 50 mass%) is put in a sterilized Erlenmeyer flask, and 4.4 g of the yeast culture solution of Experimental Example 1, 50 g of the bagasse saccharified solution, and 16.4 g of sterilized water containing 0.5 g of ammonium sulfate are added. The total amount was 88.8 g. This Erlenmeyer flask was subjected to fermentation by shaking at 50 rpm for 48 hours in a shaking incubator installed in a 35 ° C. constant temperature incubator. The total amount after fermentation was 80.7 g, and its ethanol concentration was 10% by mass.

[実施例2]
(バガス同時糖化発酵)
上記実施例1と同様に水熱処理をしたバガス25g(湿ベース、水分60質量%)を滅菌した250mLの三角フラスコに入れ、酵母培養液2.5g、酵素液6.7g、滅菌水15.8gを添加し、水熱バガス20質量%スラリーを調整した(全量50g)。この三角フラスコを35℃恒温培養器に設置された振とう培養器にて50rpmで96時間振とうし、同時糖化発酵を行った。同時糖化発酵後の全量は46.4gであり、このエタノール濃度は7.7質量%であった。
[Example 2]
(Bagasse simultaneous saccharification and fermentation)
In the same manner as in Example 1 above, 25 g of bagasse (wet base, 60% by weight of water) hydrothermally treated was placed in a sterilized 250 mL Erlenmeyer flask, 2.5 g of yeast culture solution, 6.7 g of enzyme solution, and 15.8 g of sterilized water. Was added to prepare 20 mass% slurry of hydrothermal bagasse (total amount 50 g). This Erlenmeyer flask was shaken at 50 rpm for 96 hours in a shaking incubator installed in a 35 ° C. constant temperature incubator to perform simultaneous saccharification and fermentation. The total amount after simultaneous saccharification and fermentation was 46.4 g, and the ethanol concentration was 7.7% by mass.

(モラセス発酵)
モラセス(糖濃度50質量%)18gを滅菌した三角フラスコに入れ、酵母培養液4.3g、上記バガス発酵液46.4g、及び硫酸アンモニウム0.5gを含む滅菌水16.5gを添加して全量85.2gとした。この三角フラスコを35℃恒温培養器に設置された振とう培養器にて50rpmで48時間振とうし、発酵を行った。発酵後の全量は80.7gであり、そのエタノール濃度は10質量%であった。
(Molasses fermentation)
18 g of molasses (sugar concentration 50 mass%) is put into a sterilized Erlenmeyer flask, and 4.3 g of yeast culture solution, 46.4 g of the above bagasse fermentation solution, and 16.5 g of sterilized water containing 0.5 g of ammonium sulfate are added to give a total amount of 85 .2 g. This Erlenmeyer flask was subjected to fermentation by shaking at 50 rpm for 48 hours in a shaking incubator installed in a 35 ° C. constant temperature incubator. The total amount after fermentation was 80.7 g, and its ethanol concentration was 10% by mass.

[比較例1]
(バガス同時糖化発酵)
上記実施例1と同様に水熱処理を行ったバガス25g(湿ベース、水分60質量%)を滅菌した250mLの三角フラスコに入れ、実験例1の酵母培養液2.5g、実験例2の酵素液6.7g、及び滅菌水15.8gを添加し、水熱処理バガス20質量%スラリーを調整した(全量50g)。この三角フラスコを35℃恒温培養器に設置された振とう培養器にて50rpmで96時間振とうし、同時糖化発酵を行った。同時糖化発酵後の発酵液の全量は46.4gであり、発酵液のエタノール濃度は7.7質量%であった。
[Comparative Example 1]
(Bagasse simultaneous saccharification and fermentation)
In the same manner as in Example 1 above, 25 g of bagasse (wet base, 60% by weight of water) subjected to hydrothermal treatment was placed in a sterilized 250 mL Erlenmeyer flask, and 2.5 g of yeast culture solution of Experimental Example 1 and enzyme solution of Experimental Example 2 were used. 6.7 g and 15.8 g of sterilized water were added to prepare a hydrothermally treated bagasse 20 mass% slurry (total amount 50 g). This Erlenmeyer flask was shaken at 50 rpm for 96 hours in a shaking incubator installed in a 35 ° C. constant temperature incubator to perform simultaneous saccharification and fermentation. The total amount of the fermented liquid after simultaneous saccharification and fermentation was 46.4 g, and the ethanol concentration of the fermented liquid was 7.7% by mass.

(モラセス発酵)
モラセス(糖濃度50質量%)18gを滅菌した三角フラスコに入れ、実験例1の酵母培養液2.5g及び硫酸アンモニウム0.5gを含む滅菌水29.5gを添加して全量を50gとした。この三角フラスコを35℃恒温培養器に設置された振とう培養器にて50rpmで48時間振とうし、発酵を行った。発酵後の発酵液の全量は45.5gであり、発酵液のエタノール濃度は10質量%であった。
両発酵液を合わせたエタノール量、濃度を表1に示す。
(Molasses fermentation)
18 g of molasses (sugar concentration 50 mass%) was put in a sterilized Erlenmeyer flask, and 29.5 g of sterilized water containing 2.5 g of the yeast culture solution of Experimental Example 1 and 0.5 g of ammonium sulfate was added to make the total amount 50 g. This Erlenmeyer flask was subjected to fermentation by shaking at 50 rpm for 48 hours in a shaking incubator installed in a 35 ° C. constant temperature incubator. The total amount of the fermented liquid after fermentation was 45.5 g, and the ethanol concentration of the fermented liquid was 10% by mass.
Table 1 shows the ethanol amount and concentration of both fermentation broths.

[比較例2]
(バガス同時糖化発酵)
上記実施例1と同様に水熱処理をしたバガス25g(湿ベース、水分60質量%)を滅菌した250mLの三角フラスコに入れ、実験例1の酵母培養液2.2g、実験例2の酵素液6.7g、及び滅菌水10.8gを添加し、水熱バガス22.4質量%スラリーを調整した(全量44.7g)。この三角フラスコを35℃恒温培養器に設置された振とう培養器にて50rpmで96時間振とうし、同時糖化発酵を行った。同時糖化発酵後の全量は41.7gであり、このエタノール濃度は7.3質量%であった。
[Comparative Example 2]
(Bagasse simultaneous saccharification and fermentation)
In the same manner as in Example 1, 25 g of bagasse hydrothermally treated (wet base, 60% by mass of water) was placed in a sterilized 250 mL Erlenmeyer flask, and 2.2 g of yeast culture solution of Experimental Example 1 and 6 enzyme solutions of Experimental Example 2 0.7 g and 10.8 g of sterilized water were added to prepare a 22.4 mass% slurry of hydrothermal bagasse (total amount 44.7 g). This Erlenmeyer flask was shaken at 50 rpm for 96 hours in a shaking incubator installed in a 35 ° C. constant temperature incubator to perform simultaneous saccharification and fermentation. The total amount after simultaneous saccharification and fermentation was 41.7 g, and the ethanol concentration was 7.3% by mass.

(モラセス発酵)
モラセス(糖濃度50質量%)18gを滅菌した三角フラスコに入れ、実験例1の酵母培養液2.2g及び硫酸アンモニウム0.5gを含む滅菌水24.5gを添加して全量44.7gとした。この三角フラスコを35℃恒温培養器に設置された振とう培養器にて50rpmで48時間振とうし、発酵を行った。発酵後の全量は40.7gであり、そのエタノール濃度は10質量%であった。
両発酵液を合わせたエタノール量、濃度を表1に示す。
(Molasses fermentation)
18 g of molasses (sugar concentration 50 mass%) was put in a sterilized Erlenmeyer flask, and 24.5 g of sterilized water containing 2.2 g of the yeast culture solution of Experimental Example 1 and 0.5 g of ammonium sulfate was added to make a total amount of 44.7 g. This Erlenmeyer flask was subjected to fermentation by shaking at 50 rpm for 48 hours in a shaking incubator installed in a 35 ° C. constant temperature incubator. The total amount after fermentation was 40.7 g, and the ethanol concentration was 10% by mass.
Table 1 shows the ethanol amount and concentration of both fermentation broths.

Figure 0005711566
Figure 0005711566

まず、比較例1は、バガス、モラセスを別々に発酵した例であり、両発酵液は各々発酵が良好に進む条件(バガス糖化発酵:スラリー濃度20質量%以下、発酵後エタノール濃度10質量%以下、及びモラセス糖化発酵:発酵後エタノール濃度10質量%以下)を採用している。よって仕込モラセス、バガス量からすると最大エタノール収量が得られていると考えられる。
次に、比較例2は比較例1同様、バガス、モラセスを別個に発酵するプロセスで、エタノール濃度向上を目的として、希釈水量を両工程から5gずつ減量した例である。この場合、両系統ともエタノール収量が減少し、結果として収量が少ないばかりか、エタノール濃度も低くなってしまった。
一方、本発明に係る実施例1〜2は、上述の発酵が良好に進む条件を確保しつつ、希釈液として、滅菌水の替わりに糖含有液由来発酵液を用いた例である。その結果、比較例2よりも得られたエタノール収量が多く、且つ、比較例1よりも得られた発酵液中のエタノール濃度が高いものとなった。
上記の結果から、本発明のエタノール製造方法によれば、同量のモラセス及びバガスを用いた場合にも、セルロース含有原料から、効率よく、高濃度のエタノールを製造することができることがわかった。
First, Comparative Example 1 is an example in which bagasse and molasses were separately fermented, and both fermentation broths were subjected to favorable fermentation conditions (bagasse saccharification and fermentation: slurry concentration of 20 mass% or less, ethanol concentration after fermentation of 10 mass% or less). And molasses saccharification and fermentation: ethanol concentration after fermentation of 10% by mass or less). Therefore, it is considered that the maximum ethanol yield is obtained from the amount of molasses and bagasse charged.
Next, Comparative Example 2 is a process in which bagasse and molasses are separately fermented as in Comparative Example 1, and the amount of diluted water is reduced by 5 g from both steps for the purpose of improving the ethanol concentration. In this case, the ethanol yield in both lines decreased, resulting in a low yield and a low ethanol concentration.
On the other hand, Examples 1-2 according to the present invention are examples in which a sugar-containing liquid-derived fermentation broth is used instead of sterilized water as a diluting liquid while ensuring the conditions under which the above fermentation proceeds well. As a result, the ethanol yield obtained was higher than that of Comparative Example 2, and the ethanol concentration in the fermentation broth obtained was higher than that of Comparative Example 1.
From the above results, it was found that according to the ethanol production method of the present invention, even when the same amounts of molasses and bagasse were used, high-concentration ethanol could be produced efficiently from the cellulose-containing raw material.

≪参考例1≫
発酵液中のエタノール濃度と、該発酵液中のエタノールの蒸留に必要な熱量との関係をシミュレーションにより調べた。
発酵液を蒸留する際のエネルギー量と、発酵液中のエタノール濃度とは反比例の関係にあるため、約5質量%のエタノールを99.5質量%に濃縮脱水する場合のエネルギー量は約1390kcal/L−エタノールとなり、約8質量%のエタノールを99.5質量%に濃縮脱水する場合のエネルギー量は約930kcal/L−エタノールとなる。
上記シミュレーションの結果から、発酵工程によって得られる発酵液中のエタノール濃度が高いほど、発酵工程後の蒸留にかかる熱量を低減できることが分かる。
≪Reference Example 1≫
The relationship between the ethanol concentration in the fermentation broth and the amount of heat necessary for distillation of ethanol in the fermentation broth was examined by simulation.
Since the amount of energy for distilling the fermentation broth is inversely proportional to the ethanol concentration in the fermentation broth, the amount of energy for concentrating and dehydrating about 5% by mass of ethanol to 99.5% by mass is about 1390 kcal / L-ethanol is obtained, and the energy amount in the case of concentrating and dehydrating about 8% by mass of ethanol to 99.5% by mass is about 930 kcal / L-ethanol.
From the results of the simulation, it can be seen that the higher the ethanol concentration in the fermentation broth obtained by the fermentation process, the lower the amount of heat required for distillation after the fermentation process.

本発明のエタノール製造方法を用いることにより、セルロース含有原料及び糖含有液から、効率よく、高濃度のエタノールを製造することができるため、バイオマスからのエタノール産生の分野で好適に利用可能である。   By using the ethanol production method of the present invention, it is possible to efficiently produce high-concentration ethanol from a cellulose-containing raw material and a sugar-containing liquid. Therefore, the method can be suitably used in the field of ethanol production from biomass.

Claims (6)

糖含有液に、セルロース含有原料処理液を添加した後、それらをエタノール発酵してエタノールを得るエタノール製造方法であって、
前記糖含有液は、水溶性糖類を含有する農作物の搾汁液、モラセス、及び穀類の酵素処理物からなる群より選択される1種以上であり、
前記セルロース含有原料処理液は、セルロース含有原料を糖化して得られるセルロース含有原料由来糖液、又は、前記セルロース含有原料由来糖液をエタノール発酵して得られるセルロース含有原料由来発酵液、のいずれかであることを特徴とするエタノール製造方法。
An ethanol production method for adding ethanol to a sugar-containing liquid and then fermenting them with ethanol to obtain ethanol,
The sugar-containing liquid is at least one selected from the group consisting of squeezed juice of crops containing water-soluble saccharides, molasses, and an enzyme-treated product of cereals,
The cellulose-containing raw material treatment liquid is either a cellulose-containing raw material-derived sugar liquid obtained by saccharifying a cellulose-containing raw material or a cellulose-containing raw material-derived fermentation liquid obtained by ethanol fermentation of the cellulose-containing raw material-derived sugar liquid A method for producing ethanol, wherein
前記糖含有液のエタノール発酵の発酵槽における糖濃度が、25質量%以下であることを特徴とする請求項1に記載のエタノール製造方法。   The method for producing ethanol according to claim 1, wherein the sugar concentration in the fermenter for ethanol fermentation of the sugar-containing liquid is 25% by mass or less. 前記糖含有液のエタノール発酵後に得られるエタノール濃度が、12質量%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のエタノール製造方法。   The ethanol production method according to claim 1 or 2, wherein an ethanol concentration obtained after ethanol fermentation of the sugar-containing liquid is 12% by mass or less. 前記セルロース含有原料処理液を得る際の、前記セルロース含有原料の糖化工程と前記発酵工程とが、同一の反応槽中で行われることを特徴とする請求項1〜3のいずれか記載のエタノール製造方法。 The ethanol production according to any one of claims 1 to 3, wherein the saccharification step of the cellulose-containing raw material and the fermentation step are performed in the same reaction tank when obtaining the cellulose-containing raw material treatment liquid. Method. 前記セルロース含有原料が、バガス、稲わら、麦わら、籾殻、麦殻、キャッサバ残渣及びコーンストーバーからなる群より選択される1種以上であり、
前記穀類の酵素処理物が、米、麦、キャッサバ及びトウモロコシからなる群より選択される1種以上を糖化して得られる澱粉糖化液であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか記載のエタノール製造方法。
The cellulose-containing raw material is at least one selected from the group consisting of bagasse, rice straw, straw, rice husk, wheat husk, cassava residue and corn stover;
The cereal enzyme-treated product is a starch saccharified solution obtained by saccharifying one or more selected from the group consisting of rice, wheat, cassava and corn. Ethanol production method.
前記セルロース含有原料がバガスであり、前記糖含有液が水溶性糖類を含有する農作物の搾汁液又はモラセスであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか記載のエタノール製造方法。   The ethanol production method according to any one of claims 1 to 5, wherein the cellulose-containing raw material is bagasse, and the sugar-containing liquid is a squeezed liquid or molasses of a crop containing a water-soluble saccharide.
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